Elementos clave en la producción de baterías de Iones de Litio

Parámetros críticos que requieren una gran experiencia cuando se necesita desarrollar tecnologías de dosificado.

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El campo de e-Mobility está constantemente cambiando y está sujeto a las tasas rápidas en el desarrollo. Los productores de baterías de Iones de Litio (Li-ion) y los OEM están conscientes de que, incluso cuando los parámetros técnicos cambian, un elemento siempre debe permanecer intacto: la calidad de la celda. Para
esto, es requerido un esfuerzo interdisciplinario de expertise para asegurar y mantener la calidad, a pesar de cualquier cambio en los procesos complejos de manufactura. ViscoTec puede asegurar esto o, de ser necesario, ofrecer soluciones a la medida del cliente. ViscoTec puede modificar sus diseños para satisfacer requerimientos individuales, como es el caso de sistemas de llenado de electrolitos; la cual no es una tarea fácil, dado que los electrolitos son un material complicado.

Las gigafabricas buscan producir celdas en ciclos cada vez más cortos; hoy en día una producción de 40 celdas por minuto no es extraño. Tomando en cuenta esta tendencia, las compañías se ven forzadas en enfocarse en los procesos de humectación y llenado de las baterías, dado que justamente estos procesos están entre los más críticos en términos de tiempo y calidad cuando se ensamblan las celdas.
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El ‘llenado’ es el proceso en el que se llena el electrolito de las celdas de baterias en un ambiente de vacío; por otro lado, el ‘humectado’ es el proceso en el que el electrolito penetra la estructura porosa del electrodo y del separador, resultando así en un contacto eléctrico cuando los iones migran.

El electrolito en la celda de una batería de Li-ion consiste en un solvente como el carbonato de etileno, carbonato de propileno o carbonato de dimetilo, a los cuales se le
agrega sal de litio. La sal de litio más utilizada es el hexafluorofosfato de litio (LiPF6). Es un elemento importante en los electrolitos de diferentes baterías de Li-ion y ocupa el 43% del total de los costos de la batería. Comparado con otros electolitos, el hexafluorofosfato de litio tiene mejor solubilidad.

ViscoTec ha diseñado tecnología de dosificado específicamente para este tipo de electrolito, el cual tiene una viscosidad de entre 100 y 250 mPas a 20ºC y una densidad de alrededor de 1.1 – 1.3 g/cm 3 . Esto se logró utilizando solamente materiales compatibles para el proceso de producción de baterías y garantiza su larga vida útil bajo condiciones desafiantes.

Esto es muy importante, ya que el electrolito tiene algunas desventajas. Este pasa por una reacción en la que se forma el potencialmente letal ácido fluorhídrico, incluso cuando la humedad en el aire es baja. Dado que este ácido es lipófilo, puede ocasionar una muerte casi instantánea si la piel o membranas mucosas son expuestas a él; inclusive por solamente un breve periodo de tiempo. Al haber exposición, se forman fluoruro de calcio y fluoruro de magnesio en áreas profundas de los tejidos y ocasionan un enorme daño en el balance de electrolitos del cuerpo.

Esta es la razón por la que el proceso de llenado de electrolitos se lleva a cabo en cuartos secos, ya que el aire seco generado remueve la humedad de los materiales. El
diseñar estos cuartos secos es sumamente complejo y, por lo tanto, su construcción es muy costosa. Por lo anterior, es esencial que al diseñar una planta, se elija la tecnología de dosificado que pueda garantizar la estabilidad del proceso y una vida útil prolongada.
Estas consideraciones son igualmente importantes para el proceso completo, ya que la tecnología de dosificado tiene un impacto considerable en la calidad de dos pasos del proceso: el llenado y el humectado.
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El llenado de Celdas duras tiene un elemento crítico: El tiempo. Con carcasas de metal, la velocidad de dosificado está restringida, ya que se evitan presiones excesivas en el dosificado para evitar dañar la estructura de la celda. Esto es diferente para celdas de bolsa, en donde al incrementar la velocidad expande la carcasa por un breve momento. Al planear y diseñar lineas de producción, los constructores de máquinas deben considerar estos factores para llenar carcasas de baterías, ya sea en paralelo utilizando varios dosificadores, o utilizando un solo dosificador para una sola estación.
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El humectado tiene de la misma manera el tiempo como factor crítico. Debido a la porosidad de los electrodos y el separador, una superficie grande debe de ser humedecida en un pequeño espacio de tiempo. Dependiendo del tamaño de la celda, este proceso puede tomar entre 10 y 45 minutos; o inclusive más tiempo para celdas más grandes. Por lo anterior, los productores de celdas trabajan en deseñar materiales que puedan absorber el electrolito más rápido.
Tanto el humectado, como también el llenado, son procesos que impactan en el desempeño de una batería. Si hay áreas que no están suficientemente humectadas, las
cargas no se pueden intercambiar adecuadamente, y por lo tanto la batería contará con áreas inactivas, resultando así en problemas de calidad. Esto sin considerar el riesgo que ocasionaría que diferentes corrientes fluyan dentro de una celda por áreas sin humectar.
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El resultado de lo anterior es un crecimiento dendrítico en la batería, ocasionando corto-circuitos y destruyendo la celda. Considerando que la demanda por baterías seguirá incrementando, el especialista de dosificado ViscoTec seguirá expandiendo sus tecnologías. El objetivo es ayudar a OEMs y productores de celdas a producir celdas de Li-Ion de manera más segura y eficiente, asegurando al mismo tiempo el nivel más alto de calidad en la producción durante todo el proceso.

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